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1、材料科学与工程基础 Fundamentals of Materials Science and Engineering 2016.6.232016.6.23 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 复习要点 物理参量的概念 量纲 计算公式 思路 电子课件 课堂讲授内容 教材 习题（中、英） 作业 自测评 结构 性能 温度（环境、方式） 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 Performance Properties Synthesis and Processing Compositions and Structures 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程
2、基基 础础 性能决定用途。 本章对材料的力学性能、热性能、电学、磁学、光 学性能以及耐腐蚀性，复合材料及纳米材料的性能 进行阐述。 要点：性能的物理意义、公式、量纲、 各种材料的性能特点 主要影响因素 组成和结构 温度等 第四章 材料的性能 Properties of Materials 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 4-1 固体材料的机械性能 4-2 材料的热性能 4-3 材料的电学性能 4-4 材料的磁学性能 4-5 材料的光学性能 4-6 材料的耐腐蚀性 4-7 复合材料的性能 4-8 纳米材料及效应 第四章 内容目录 5 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程
3、 基基 础础 4-1-1 材料的力学状态 4-1-2 应力和应变 4-1-3 弹性形变 4-1-4 永久形变 4-1-5 强度、断裂及断裂韧性 4-1-6 硬度 4-1-7 摩擦与磨损 4-1-8 疲劳 4-1 固体材料的力学性能 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 要点(4.1.1 4.1.4) 不同材料力学性能的差异及其与组成和结构的关系 应力和应变的定义、五种基本类型 应力应变曲线的物理意义（参量）典型曲线 弹性形变、应力状态与模量之间的关系，公式（4-8、4 -11） 粘弹形变与蠕变、应力松弛（静态）和内耗（动态） 永久形变的机制与塑性材料的增强途径 力学性能 材材
4、料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 强度（屈服和断裂）的概念及测试方法和计算公式 脆性断裂和韧性断裂的机制及脆韧转变因素,公式（ 4-28） 理论断裂强度和脆性断裂理论的推导过程，公式（4 -35、4-43、4-49、4-52、4-53） 裂纹在脆性断裂中的重要作用 断裂韧性的类型，公式（4-56、4-57） 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 A 晶态结构 B 较高的弹性模量和强度 C 受力开始为弹性形变，接着一段塑性形变 然后断裂，总变形能很大 D 具有较高的熔点。 4-1-1 材料的力学状态（Mechanical states） 1. 金属(Metals)的
5、力学状态 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 A 玻璃相熔点低，热稳定性差，强度低。 B 气相（气孔）的存在导致陶瓷的弹性模量和机械 强度降低。 C 陶瓷材料也存在玻璃化转变温度Tg。 D 绝大多数无机材料在弹性变形后立即发生脆性断 裂，总弹性应变能很小。 陶瓷材料的力学特征 高模量、高硬度、高压缩强度、低延伸率 2. 无机非金属(nonmetals)的力学状态 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 玻璃态 高弹态 粘流态 3. 聚合物（polymers）的力学状态 （1） 非晶态聚合 物的三种力学状态 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 （
6、2） 结晶聚合物的力学状态 A 结晶聚合物常存在一定的非 晶部分，也有玻璃化转变。 B 在T g 以上模量下降不大 C 在T m 以上模量迅速下降 D 聚合物分子量很大，T m T f ，则 熔融之后即转变成粘流态 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 1. 应力和应变的定义 应力：单位面积上的内力，其值与外加的力相等。 应变：受到外力不惯性移动时，几何形状和尺寸的变化。 应力=外加力F/面积A 4-1-2 应力与应变（stress and strain） 工程应力（名义应力）：面积为材料受力前的初始面积(A0)的 应力。 真实应力：面积为受力后的真实面积(AT)的应力。 材材
7、 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 各向同性材料，三种基本类型： 还有扭转和弯曲形变。 简单拉伸 tension 简单剪切 shear 均匀压缩 compression 2. 材料的应变方式 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 曲线（Fl）转换为 应力应变曲线 （ ） = F / S 0和=l / l 0 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 弹性-均匀塑性型 纯弹性型 弹性-不均匀塑性 型 弹性-不均匀塑性-均 匀塑性型 弹性-不均匀塑 性（屈服平台 ）-均匀塑性型 拉伸应力应变曲线（ ）五种类型 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基
8、 础础 Elastic deformation Modulus of elasticity (Hook) (metal and ceramics) Rubberlike elasticity (elastomer) Viscoelasticity (polymer) 4-1-3 弹性形变（Elastic Deformation） 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 弹性模量 正弹性模量 E 正应力在状态下 切弹性模量 G 纯剪切力作用下 体积弹性模量 K0（VV0） 泊松比为缩短应变与伸长应变的比值， =- ey/ex 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 转
9、化关系 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 材料的弹性模量表示材料对于弹性变形的抵抗力 主要取决于原子间的结合能力, 构件刚度 金属的模量值主要取决于 10-102GPa A 晶体中原子的本性、电子结构 B 原子的结合力、 C 晶格类型以及晶格常数等。 D 合金元素降低弹性模量。 陶瓷材料具有较高模量、原因 10-102GPa A 原子键合的特点 特种陶瓷 B 构成材料相的种类，分布、比例及气孔率有关。 高分子材料低模量 0.5-5GPa 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 金属晶体、离子晶体、共价晶体等的变形通常 表现为普弹性，主要的特点是： A 应变在应
10、力作用下瞬时产生， B 应力去除后瞬时消失， C 服从虎克定律。 高分子材料通常表现为高弹性和粘弹性 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 （2） 有机聚合物的弹性、粘弹性 (Elasticity and Visco-elasticity of Polymers) (a) 高弹性，即橡胶弹性 (rubberlike elasticity) 弹性模量小、形变大 弹性模量随温度升高而上升； 形变时有热效应，伸长时放热，回缩时吸热； 在一定条件下，有明显的松弛现象。 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 静态粘弹性 固定应力或应变 A 蠕变(creep) 开尔文模型（
11、Kelvin model)并联 (b) 粘弹性 (viscoelasticity) B 应力松弛 (stress relaxation) 麦克斯韦模型 (Maxwell model) 串联 在应力松弛过程中，模量随时间而减小，称为松弛模量， E (t) = (t) / 应力（模量）随时间延长而减小 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 周期性、交变应力 滞后、内耗 在周期性应力作用下，模量 E可采用复数表示式。 E* = E + i E 内耗值E/E的量度： tan = E / E tan ，E， E与 频率的关系 动态粘弹性 (Dynamic viscoelasticity)
12、 （高聚物） 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 （3）滞弹性 (anelasticity) 无机固体和金属与时间有关的弹性 取决于温度和荷载的频率 （4）弹性极限与弹性比功 (金属) 比例极限 (proportional limit) 弹性变形时应力与应 变严格成正比关系的上限应力 p = F p / S 0 条件比例极限 tan /tan=150% p50 代表材料对极微量塑性变形的抗力 弹性比功 弹性应变能密度。材料吸收变形功而又不发生永久变形 的能力 W=/2=2/2E 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 Plastic (metal slip sy
13、stem and dislocation) viscous flow (glass and polymer) strengthening 两种基体类型 晶质材料 塑性流动金属为主 晶体一部分相对于另一部分滑动 非晶质材料 粘性流动高聚物为主 原子集团自由调换位置 大形变、不可逆 4-1-4 永久形变（permanent deformation） 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 1、塑性流动(Plastic flow) 晶质材料：外加应力超 过弹性极限，产生塑性 形变。 变形机理：滑移和孪生 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 滑移体系(slip syst
14、em)滑移方向、滑移面 FIGURE 8.6 (a) A 111110 slip system shown within an FCC unit cell. (b) The (111) plane from (a) and three slip directions (as indicated by arrows) within that plane comprise possible slip systems. 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 粘性流动的材料对于各种形变方式具有应变速率敏感性 在高于玻璃化温度并受到相当大的应力时， 无机玻璃和热塑性聚合物会发生原子基团持
15、续的 高粘度状态下的热运动 = 0 e-Q/RT 2、粘性流动(Viscous flow) 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 3、材料的强化(strengthing of materials) 金属材料的强化方式：金属材料的强化方式： 高分子材料的强化方式：高分子材料的强化方式： 取向和交联 晶粒尺寸减小强化 固溶体强化 应变强化 退火和再结晶 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 基基 础础 4-1-5 强度、断裂及断裂韧性 （Strength, Fracture and Fracture Toughness of Materials） 材料的内部应力：拉伸、压缩、剪切材料的内部应力：拉伸、压缩、剪切 断裂强度分为：拉伸强度、压缩强度、剪切强度断裂强度分为：拉伸强度、压缩强度、剪切强度 加载特
